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毕 业 设 计
设计题目 自动晾衣架设计 系（部） 机械工程系 学科专业 机电一体化 班 级 错误！未指定书签。 姓 名 陈涛 学 号 20112008051 指导教师 王笑
新疆工程学院毕业设计任务书
学 生 姓 名 设 计 题 目 接受任务日期 指 导 教 师 陈涛 自动晾衣架设计 2013.11.4 王笑 完成任务日期 指导教师单位 2013.12.13 新疆工程学院 专 业 班 级 机电11—2 设计目标 该装置要实现衣架的上下运动。整套装置由螺钉与墙体连接，装置由电动机完成伸缩使衣架完成工作。该装置实现自动控制的功能。使得人们的生活更加简单，更为现代化。在此基础上，可以使家居智能化更好的融入人们的生活中去，为人们的生活起到更大的作用。我们的设计简单而有效。只是在结构上稍加改动，就能使得产品得到有效的提升。所以我们真心的希望我们的设计能得到应用与推广，这是设计者的出发点，创新源于不满，源于渴望，源于对生活的热爱。 设计要求教师指导 过程记录 参出版社，2003.12[4] 王晓明.电动机的单片机控制[M].北京：北京航空航天大学出版社，2002.5[5] 拉希考资料德，陈建业，杨德刚.电力电子技术手册[M].北京：机械工业出版社，2004.6[6]徐凤霞,赵成安 继电器使用实例[J].齐齐哈尔大学学报 2004年3月第20卷第1期64-66[7] J.M.佩提著，蔡振明译.电子放大器的的理论与设计[M].上海：上海科技出版社，1997.8 设计要求和条件： 1) 晾衣架能自动升降以缓解举手晾衣的麻烦； 2) 晾衣架能自动伸出和缩回，既充分利用了阳光，减少事故隐患又不影响整个小区的总体美观； 3) 足够的承载力； 4) 操作方便，省力。 [1] 国家机械工业委员会.电机原理[M].北京：机械工业出版社，1988.9[2] 胡双,马志云.永磁无刷直流电机系统建模研究[J].电工技术杂志, 2003.8:17～21[3] 张毅刚.单片机原理及应用[M].北京：高等教育
新疆工程学院毕业设计成绩表
学 生 姓 名 设 计 题 目 考 核 项 目 1、工作态度与纪律 一、 指导教师评分 2、基本理论、基本知识、基本技能和外文水平 3、独立工作能力、分析和解决问题能力 4、完成任务的情况与水平（论文与实物硬件质量） 指导教师签字： 年 月 日 二、 15 2、成果技术水平（理论分析、计算、实验和实物性能） 评阅教师评分 评阅教师签字： 年 月 日 1、完成任务书所规定的内容和要求 2、论文与实物的质量 三、 答辩小组评分 3、课题设计内容的讲述 4、回答问题的正确性 5 5 10 10 1、论文质量（正确性、条理性、创造性和实用性） 15 陈涛 专 业 班 级 机电11-2 自动晾衣架控制系统设计 考 核 内 容 满 分 10 10 10 10 评 分 答辩组长签字： 年 月 日 四、答辩小组成绩评定： 负责人签字： 年 月 日 五、答辩委员会意见： 答辩委员会主任签字： 年 月 日
自动晾衣架控制系统设计
摘 要
智能自动晾衣架能够实现晾衣架的自动升降，衣服超重的自动检测及系统故障保护等功能。与传统的手动晾衣架相比，自动晾衣架具有升降更省力，升降速度更快等优势，随着技术的日臻完善，自动晾衣架将成为市场的主导产品。
本设计采用单片机AT89C51作为自动晾衣架的检测及控制核心，采用电阻应变片实现超重检测，通过手动按键控制晾衣架的升降，通过发光二极管显示晾衣架的工作状态，同时具有超重声光报警作用，该系统还增加了直流电机的的过流保护功能以及电气隔离功能。软件部分采用模块化设计思想，编制了各个模块的流程图，实现了对晾衣架升降控制，状态显示等功能。本设计具有灵活方便、适用范围广的特点，基本能够满足实践需求。
AUTOMATIC CLOTHES HANGER CONTROL
SYSTEM DESIGN
ABSTRACT
Intelligent automatic clothes hanger which is able to realize automatic lift the clothes
hanger, automatic detection clothes are overweight or not, system's fault protection function of the clothes hanger. Compared with the traditional manual clothes hanger, it has lifting more easily and more faster. As technology is being perfected, automatic air clothes tree will be the market leading products.
This design use the single-chip microcomputer AT89C51 as automatic clothes hanger detection and control core .using resistance strain gauge realize overweight detection, through manual buttons to control clothes hanger up or down. through the leds to display the clothes hanger working condition.At the same time,it has the overweight sound-light alarm circuit. this system also increased dc motor of the over-current protection function.software part adopts modular design thought, compiled the flowchart of each module. realized to dc motor positive & reverse control and state display functions.This design is agile and convenient, widely use .Basicly can satisfy the practice demands.
KEY WORDS clothes hanger single-chip microcomputer
lift control alarm
目 录
中文摘要 ............................................................................................................................................ III 英文摘要 ............................................................................................................................................ IV 1 绪论 ................................................................................................................................................. 1
1.1 自动晾衣架介绍 .......................................................................................................... 1 1.2 晾衣架的历史及现状 ................................................................................................ 1 1.3 晾衣架行业的发展及未来 ..................................................................................... 2 2 整体电路设计............................................................................................................................ 4
2.1 自动晾衣架整体框图 ................................................................................................ 4 2.2 系统的主要部件方案论证与比较 ..................................................................... 4
2.2.1 处理器的选择与论证 ........................................................................................... 5 2.2.2 驱动电机的选择与论证 ...................................................................................... 5 2.2.3 直流电机驱动电路的选择与论证 .................................................................... 5 2.2.4 稳压电源方案选择与论证 ................................................................................. 6
2.3 系统各模块的最终方案 .......................................................................................... 7 3 基本元器件介绍及各部分电路设计 ............................................................................ 8
3.1 直流电机的运行原理 ................................................................................................ 8
3.1.1 直流电机的结构 .................................................................................................... 8 3.1.2 直流电机的基本工作原理 ................................................................................. 8 3.1.3 直流电机的额定值 ............................................................................................. 10
3.2 单片机原理 ................................................................................................................... 11
3.2.1 单片机原理概述 .................................................................................................. 11 3.2.2 单片机的应用系统 ............................................................................................. 12 3.2.3 AT89C51简介 ....................................................................................................... 13
3.3 其它主要器件介绍 ................................................................................................... 18
3.3.1 NE555介绍 ............................................................................................................ 18 3.3.2 集成运放LM358介绍 ......................................................................................... 20 3.3.3 继电器的介绍 ...................................................................................................... 21 3.3.4 光耦介绍 ............................................................................................................... 23 3.3.5 串行下载口介绍 .................................................................................................. 25
3.4 各部分电路设计 ........................................................................................................ 26
3.4.1 电源电路 ............................................................................................................... 26 3.4.2 时钟电路 ............................................................................................................... 28 3.4.3 复位电路 ............................................................................................................... 29 3.4.4 按键电路 ............................................................................................................... 30 3.4.5 超重检测电路 ...................................................................................................... 31 3.4.6 状态指示电路 ...................................................................................................... 32 3.4.7 声光报警电路 ...................................................................................................... 33 3.4.8 过流保护电路 ...................................................................................................... 34 3.4.9 控制电机正反转电路 ......................................................................................... 36 3.4.10 串口电路 ............................................................................................................. 37
4 系统的软件各部分设计与实现 .................................................................................... 39
4.1 超重检测部分 .............................................................................................................. 39 4.2 上升部分 .................................................... 40 4.3 下降部分 ........................................................................................................................ 40 4.4 过流中断部分 .............................................................................................................. 41 5 设计总结 .................................................................................................................................... 42 参考文献 ............................................................................................................................................ 40 附 录 ................................................................................................................................................. 41
1 绪论
1.1 自动晾衣架介绍
目前晾衣架分手动、自动两种。手动较为普及。自动之所以未能普及推广，这是由于整个行业技术上的不成熟以及售后服务的局限——毕竟是镶在天花板上，不像小家电一样容易搬移去维修保养。因而目前，还是手动为市场的主导。但自动晾衣架有着手动晾衣架不可比拟的优势如升降更省力，升降速度更快等。随着技术的日臻完善，自动晾衣架将成为市场的主导产品。
自动晾衣架是大约10年前出现的一种晾晒衣服的用具。这种产品刚出来时晾杆是用不锈钢圆管做的，款式单一，只是作为一种方便晾晒衣服的工具，但随着时间的推移，生产晾衣架的厂家越来越多，竞争越来越大，厂家各出奇谋，晾衣架的款式越来越多，越来越漂亮，晾衣架如今已不仅仅是一种晾晒的工具了，更演变成一种装饰品，成为阳台一道风景线。晾衣架的各种配件也层出不穷，每一件配件都可以作为装饰品，点缀现代家庭的阳台。
1.2 晾衣架的历史及现状
自动晾衣架是一中国特色的产品，上世纪八十年代末发源于中国，至今大约20年历史，是一新兴行业。
晾衣架是我国较早出现的一种家具，周朝开始实行礼制，贵族阶层对衣冠十分重视，为了适应这种需要，较早就出现了专门用来悬挂衣物的架子。各个朝代的衣架形式各有不同，名称也有所不同。春秋时期，横架的木杆，用以挂衣曰“桁”，又叫“木施”。在宋代，衣架的使用较前代更为普遍，并且有形象的资料，河南禹县宋墓壁画梳妆图中的衣架，它由两根立柱支撑一根横杆，横杆两头长出立柱，两头微向上翘，并做成花朵状。下部用两横木墩以稳定立柱，在上横杆下部的两柱之间，另加一根横杆，以起加固作用。明代衣架整体造型仍保持着传统模式，但用材、制作、装饰很精致。衣架下端以两块墩子木作支撑，里外两面浮雕回纹，前后两个镂雕卷草花抵夹。上部和下部分用木插与立柱和座墩连接，由于底下的横格木具有一定的宽度，故可以摆放鞋履等物。晾衣架从选材、设计、雕刻制作，在明代的时期都达到了很高的艺术水平。明清衣架造型典雅，装饰精美，雕刻细致。明清官员头戴乌纱红缨帽，身着前后缀
有补子的马蹄袖长袍，故清代衣架高大，立柱上设有横杆，二端出挑，雕有文饰回纹，墩上有立柱，前后两个镂雕卷草花抵夹。上部和下部分用木插与立柱和座墩连接，两墩安装用小块木料连接。清朝实行“易服”政策，推行穿满人服装，满人体魄剽悍而高大，所穿的服装体积大，份量重。有钱、有地位人的衣服，是由绣凤的绫罗绸缎组成。因此，造就清代衣架的繁华、端庄、巨大，是这一个时期的特征，也是区别其他时代的不同之处。清代衣架又俗称“朝服架”，主要挂置男用官服所用，因此，所有的衣架主梁都如同二条仰首的双龙，傲气地横卧在那里，象征着官运享通，其余的如“福”、“禄”、“寿”及各种装饰性花饰，则进一步强调他们的价值观念。可以看到，早期的封建社会，做工精细、用料讲究的晾衣架只是上层权贵阶层的奢侈家庭用品，而普通的老百姓是享受不到的，他们只能就地取材，竹竿或木棍做晾杆，再加上一个自制的支架，就成了“平民晾衣架”，而且这个晾衣的传统竟然沿用了几千年，直到现在中国不少的农村地区仍在使用这种最朴实、最简单的晾衣方式。
古时的衣架到了现代社会又有了新的演变和发展，随着人类文明和科技的进步，现代的制作工艺及新型合金材料运用的相结合，产生了现代的晾衣架，晾衣架也日益发展成为现代家居生活的必备品。特别最近几年，中国的房地产迎来了前所未有的高速发展局面，紧随其后的建材家居业，自然也水涨船高。晾衣架做为建材类五金产品，随着人民生活水平的提高，也成为了家庭装修中消费者必须考虑购买的家居用品。目前，晾衣架产品的市场消费观念正在发生变化，人们晾晒衣服和生活用品的习惯从最早的原始的固定晾杆，到手拉升降衣架，再到自动晾衣架和最新的数码遥控晾衣架，短短的20年时间内，产品已经发生了翻天覆地的变化。从消费需求看，人们的消费观念也开始向品牌化、高档化、简易化的理性方向迈进。体验试营销手段正悄然进入晾衣架市场。消费者对产品的需求，也从简单的使用需求，上升到对产品的整体设计、功能、色彩、服务等多方面的整合需求。从产品技术看，现代晾衣架晾杆的材质和表面工艺处理也在不断地提高，材质用料上也从铁质到不锈钢，再发展到铝合金及目前采用的最新航空材料——铝钛合金，不断地推进发展。
1.3 晾衣架行业的发展及未来
晾衣架，发展到今天，已经不仅仅是一个晾衣服的工具。除了实用性很强外，更是一个颇具装饰性的产品。它是阳台一道主要的风景线。除了要买来晾衣服，消费者
也许更注重心理上的需求和满足。
目前晾衣架的“功能”已经普遍得到消费者的认可，已经形成一个“行业”。回归产品本身——走质量、特色路线：不断改良、创新，引领行业重新重视质量。实用的产品，质量才是永恒的。只有质量被大众接收，行业才可持续健康发展。换言之，只要功能、质量普遍被认可，晾衣架将会成为居民生活一个必需品。而竞争激烈的未来，特色将是吸引顾客的重要要素！
2 整体电路设计
2.1 自动晾衣架整体框图
本设计要求设计自动晾衣架的控制系统，能实现晾衣架的自动升降，衣服重量的自动检测及系统的故障保护功能。设计衣物的搭载总重量不超过30kg，晾衣架的升降速度为0.4m/s。电机的额定功率为120W。
该设计电路的方框图如图2-1。该电路的输入有超重信号输入电路、手动按键电路、过流检测输入电路；电路的控制核心是AT89C51单片机；输出部分有声光报警电路、状态显示电路、电机控制电路。
超重传感器 AT89C51 声光报警器 手动按键 状态显示 过流检测 电机控制
图2-1 整机原理方框图
电路工作原理:当系统上电后，电源指示灯点亮；当晾晒衣服时，超重传感器检测衣物是否超过电机所能承载的质量，当超过时声光报警器就会报警，同时电机控制电路使电机不工作；当上升按键被按下，上升指示灯点亮，同时电机控制电路使电机正转；当下降上升按键被按下，下降指示灯点亮，同时电机控制电路使电机反转；如果发生故障使电机处于过流工作时，过流检测就会输出信号使声光报警器报警，同时使电机不工作。
2.2 系统的主要部件方案论证与比较
题目要求设计一自动晾衣架，根据要求需采用一只电机来控制晾衣架的升降。采用传感器衣物是否超重，当过载或发生故障时通过声光报警器实现报警,另外还需用
到键盘及显示，下面对主要部件的选择加以论证。
2.2.1 处理器的选择与论证
方案一：采用FPGA（现场可编程门列阵）作为系统的处理器。由于FPGA将所
有器件集成在一块芯片上，所以外围电路较少，控制板的体积小，稳定性高，扩展性能好；而且FPGA采用并行的输入输出方式，系统处理速度快，再加上FPGA有方便的开发环境和丰富的开发工具等资源可利用，易于调试；但是FPGA的成本偏高，而且由于本设计对输出处理的速度要求不高，所以FPGA高速处理的优势得不到充分体现。
方案二：采用单片机AT89C51作为系统的处理器。单片机算术运算功能强，软件编程灵活、自由度大，可用软件编程来实现各种算法和逻辑控制，并且由于其功耗低、体积小、技术熟练和成本低等优点，使其在各个领域应用广泛。
基于以上分析，采用单片机AT89C51作为系统的处理器。
2.2.2 驱动电机的选择与论证
方案一：采用步进电机作为执行单元。步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。因此，步进电机具有快速启停能力，但步进电机成本比较高且如果控制不当容易产生共振。
方案二：采用直流电机作为执行元件。直流电动机具有优良的调速特性，调速平滑、方便，调整范围广，过载能力强，能承受频繁的冲击负载，可实现频繁的快速启动、制动和反转；能满足生产过程自动化系统各种不同的特殊运行要求。直流电机成本低且的电路简单。
基于以上分析，采用直流电机作为系统的传动装置。
2.2.3 直流电机驱动电路的选择与论证
方案一：采用与直流电机相匹配的成品驱动装置。采用该方法实现直流电机驱动，其优点是工作可靠，节省制作和调试的时间，但成本很高。
方案二：采用继电器来控制直流电机。采用该方法实现直流电机驱动，电路连接比较简单，工作相对也比较可靠，成本低廉，技术成熟。此外，为提高电路的抗干扰能力，驱动电路与单片机接口可通过光耦元件连接。
基于以上分析，考虑到要驱动的电机瞬时电流较大以及电路的复杂程度，采用方案二实现电机驱动。
2.2.4 稳压电源方案选择与论证
方案一：采用串联反馈式稳压电路，图2-2中VI是整流滤波电路的输出电压，T为调整管，A为比较放大电路，VREF为基准电压，它由稳压管DZ与限流电阻R串联所构成的简单稳压电路获得，R1与R2组成反馈网络，是用来反映输出电压变化的取样环节。
图2-2 串联反馈式稳压电路
这种稳压电路的主回路是起调整作用的 T与负载串联，故称为串联式稳压电路。输出电压的变化量由反馈网络取样经放大电路（A）放大后去控制调整管T的c-e极间的电压降，从而达到稳定输出电压VO的目的。但该电路复杂，使用不方便。
方案二：采用集成三端稳压器
图2-3 集成三端稳压器
如图所示，集成三端稳压器是一个集成芯片，它有一个电压输入端Vin，一个电压输出端Vout和一个接地端GND，其基准电压由芯片内部电路决定，是一个固定的
值。集成三端稳压器的外部结构简单，使用比较方便。
基于以上分析，我们采用方案二做为电源方案。
2.3 系统各模块的最终方案
经过仔细地分析和论证，选定了系统各模块的最终方案如下： 电源：采用三端稳压器组成稳压电源： 处理器：采用单片机AT89C51组成控制系统； 电机：采用直流电机；
电机驱动：采用继电器来控制直流电机； 超重检测：电阻应变片称重传感器； 报警模块：采用声光报警器； 键盘：独立式键盘接口查询方式； 显示：采用发光二极管。
3 基本元器件介绍及各部分电路设计
3.1 直流电机的运行原理
3.1.1 直流电机的结构
图3-1 直流电机的物理模型图
其中，固定部分有磁铁，这里称为主磁极；固定部分还有电刷。转动部分有环形铁心和绕在环形铁心上的绕组。(其中2个小圆圈是为了方便的表示该位置上的导体电势或电流的方向而设置的)
上图表示一台最简单的两极直流电机模型，从模型上可以看到，直流电机的结构
应由定子和转子两大部分组成。直流电机运行时静止不动的部分称为定子，定子的主要作用是产生磁场，由机座、主磁极、换向极、端盖、轴承和电刷装置等组成。运行时转动的部分称为转子，其主要作用是产生电磁转矩和感应电动势，是直流电机进行能量转换的枢纽，所以通常又称为电枢，定子与转子之间有一气隙。在电枢铁心上放置了由两根导体连成的电枢线圈，线圈的首端和末端分别连到两个圆弧形的铜片上，此铜片称为换向片。换向片之间互相绝缘，由换向片构成的整体称为换向器。换向器固定在转轴上，换向片与转轴之间亦互相绝缘。在换向片上放置着一对固定不动的电刷，当电枢旋转时，电枢线圈通过换向片和电刷与外电路接通。
3.1.2 直流电机的基本工作原理
1.直流电动机工作原理
由下图可知，当将外部直流电源加于电刷A(正极)和B(负极)上，则线圈abcd中流过电流，在导体ab中，电流由a指向b，在导体cd中，电流由c指向d。导体ab
和cd分别处于N、S极磁场中，受到电磁力的作用。用左手定则可知导体ab和cd均受到电磁力的作用，且形成的转矩方向一致，这个转矩称为电磁转矩，为逆时针方
向。这样，电枢就顺着逆时针方向旋转。
图3-2 直流电动机工作原理示意图
如图3-2(a)所示。当电枢旋转180°，导体cd转到N极下，ab转到S极下，如图
3-2(b)所示，由于电流仍从电刷A流入，使cd中的电流变为由d流向c，而ab中的电流由b流向a，从电刷B流出，此时载流导体ab和cd受到电磁力的作用方向同样可由左手定则判定，它们产生的转矩仍然使得转子逆时针转动。由此可见，加于直流电动机的直流电源，借助于换向器和电刷的作用，使直流电动机电枢线圈中流过的电流，方向是交变的，从而使电枢产生的电磁转矩的方向恒定不变，确保直流电动机朝确定的方向连续旋转。这就是直流电动机的基本工作原理。
实际的直流电动机，电枢圆周上不是由一个线圈构成而是均匀地嵌放许多线圈，
以减少电动机电磁转矩的波动，绕组形式同发电机。相应地换向器由许多换向片组成，使电枢线圈所产生的总的电磁转矩足够大并且比较均匀，电动机的转速也就比较均匀。
2.直流电机的励磁方式
励磁绕组的供电方式称为励磁方式。按励磁方式的不同，直流电机可以分为以下
4类。
（1）他励直流电机
励磁绕组由其他直流电源供电，与电枢绕组之间没有电的联系，如图3-3(a)所示。永磁直流电机也属于他励直流电机，因其励磁磁场与电枢电流无关。图3-3中电流正方向是以电动机为例设定的。
（2）并励直流电机
励磁绕组与电枢绕组并联。如图3-3(b)所示。励磁电压等于电枢绕组端电压。 以上两类电机的励磁电流只有电机额定电流的1%～5%，所以励磁绕组的导线细而匝数多。
（3）串励直流电机
励磁绕组与电枢绕组串联，如图3-3(c)所示。励磁电流等于电枢电流，所以励磁绕组的导线粗而匝数较少。
（4）复励直流电机
每个主磁极上套有两套励磁磁绕组，一个与电枢绕组并联，称为并励绕组。一个
与电枢绕组串联，称为串励绕组，如图3-3(d)所示。两个绕组产生的磁动势方向相同时称为积复励，两个磁势方向相反时称为差复励，通常采用积复励方式。
直流电机的励磁方式不同，运行特性和适用场合也不同。
图3-3 直流电机的励磁方式
3.1.3 直流电机的额定值
电机制造厂按照国家标准，根据电机的设计和试验数据而规定的每台电机的主要
性能指标称为电机的额定值。额定值一般标在电机的铭牌上或产品说明书上。直流电机的额定值主要有下列几项：
1.额定功率
额定功率是指电机按照规定的工作方式运行时所能提供的输出功率。对电动机来
说，额定功率是指转轴上输出的机械功率。
2.额定电压
额定电压是电机电枢绕组能够安全工作的最大外加电压，单位为V(伏特)。 3.额定电流
额定电流是电机按照规定的工作方式运行时，电枢绕组允许流过的最大电流，单位为A(安培)。
4.额定转速
额定转速是指电机在额定电压、额定电流和输出额定功率的情况下运行时，电机
的旋转速度，单位为r/min(转/分)。
额定值一般标在电机的铭牌上，又称为铭牌数据。还有一些额定值，例如额定转
矩TN、额定效率N等，不一定标在铭牌上，可查产品况明书或由铭牌上的数据计算得到。
直流电机运行时，如果各个物理量均为额定值，就称电机工作在额定运行状态，
亦称为满载运行。在额定运行状态下，电机利用充分，运行可靠，并具有良好的性能。如果电机的电枢电流小于额定电流，称为欠载运行；电机的电枢电流大于额定电流，称为过载运行。欠载运行，电机利用不充分，效率低；过载运行，易引起电机过热损坏。
3.2 单片机原理
3.2.1 单片机原理概述
单片机是把微型计算机主要部分都集成在一块芯片上的单芯片微型计算机。图3-4中表示单片机的典型结构图。由于单片机的高度集成化，缩短了系统内的信号传送距离，优化了结构配置，大大地提高了系统的可靠性及运行速度，同时它的指令系统又很适合于工业控制的要求，所以单片机在工业过程及设备控制中得到了广泛的应用。
图3-4 典型单片机结构图
3.2.2 单片机的应用系统
单片机在进行实时控制和实时数据处理时，需要与外界交换信息。人们需要通过人机对话，了解系统的工作情况和进行控制。单片机芯片与其它CPU比较，功能虽然要强得多，但由于芯片结构、引脚数目的限制，片内ROM、RAM、I/O口等不能很多，在构成实际的应用系统时需要加以扩展，以适应不同的工作情况。单片机应用系统的构成基本上如图3-5所示。
图3-5 单片机的应用系统
单片机应用系统根据系统扩展和系统配置的状况，可以分为最小应用系统、最小功耗系统、典型应用系统。本设计是设计一款最小应用系统，最小应用系统是指能维持单片机运行的最简单配置的系统。这种系统成本低廉、结构简单，常用来构成简单的控制系统，如开关量的输入/输出控制、时序控制等。对于片内有ROM/EPROM的芯片来说,最小应用系统即为配有晶体振荡器、复位电路和电源的单个芯片；对与片
内没有ROM/EPROM芯片来说，其最小应用系统除了应配置上述的晶振、复位电路和电源外，还应配备EPROM或EEPROM作为程序存储器使用。下图就是一个AT89C51的一个典型最小应用系统。
图3-6 AT89C51最小应用系统
3.2.3 AT89C51简介
AT89C51含E²PROM电可编闪速存储器。有两级或三级程序存储器保密系统，防止E²PROM中的程序被非法复制。不用紫外线擦除，提高了编程效率。程序存储器E²PROM容量可达20K字节。
AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压、高性能8位微处理器，俗称单片机。其可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。
制造工艺为HMOS的51系列单片机都采用40只引脚的双列直插式封装（DIP）方式，其引脚如图3-7所示：
图3-7 单片机的引脚排列
40只引脚按其功能来分，可分为如下3类：
（1）电源及时钟引脚：VCC，GND，XTAL1，XTAL2。 （2）控制引脚：/PSEN,ALE,/EA,RESTE(即RST)。
（3）I/O口引脚：P0口，P1口，P2口，P3口，为4个8位I/O口的外部引脚。 1.主要特性： ·与MCS-51兼容
·4K字节可编程闪烁存储器 ·寿命：1000写/擦循环 ·数据保留时间：10年
·全静态工作：0Hz-24MHz
·三级程序存储器锁定 ·128*8位内部RAM ·32可编程I/O线 ·两个16位定时器/计数器 ·5个中断源 ·可编程串行通道 ·低功耗的闲置和掉电模式
·片内振荡器和时钟电路 2.管脚说明：
VCC：电源端，接+5V电源。
GND：接地端。
P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1
口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。
P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输
出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。
P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。
P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下所示： P3.0 RXD（串行输入口）
P3.1 TXD（串行输出口） P3.2 /INT0（外部中断0） P3.3 /INT1（外部中断1） P3.4 T0（记时器0外部输入） P3.5 T1（记时器1外部输入） P3.6 /WR（外部数据存储器写选通） P3.7 /RD（外部数据存储器读选通）
P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。
ALE/PROG：ALE引脚输出为地址锁存允许信号，当单片机正常工作时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号。当访问外部存储器时，ALE输出信号的负跳沿用于单片机发出的低8位地址经外部锁存器锁存的锁存控制信号。即使不访问外部存储器，ALE端仍以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。如果想初步判断单片机芯片的好坏，可以用示波器查看ALE端是否有正脉冲信号输出，如果有脉冲信号输出，则单片机基本上是好的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。/PROG是本引脚的第二功能。在对片内EPROM型单片机（例如8751）编程写入时，此引脚为编程脉冲输入端。
/PSEN：外部程序存储器的输出允许控制端。在由外部程序存储器取指期时，此引脚输出脉冲负跳沿作为读外部程序存储器的选通信号。此脚与外部程序存储器的/OE端相连。/PSEN端可以驱动8个LS型TTL负载。如果要检查一个单片机应用系统上电后，CPU能否正常到外部程序存储器读取指令码，可以用示波器查/PSEN端有无脉冲输出。
/EA/VPP：/EA功能为内外程序存储器选择控制端。当/EA为高电平时，CPU执行片内程序存储器指令，但当PC中的值超过0FFFH时，即超过片内程序存储器的4KB地址范围时，将自动转向执行片外程序存储器指令。当/EA为低电平时，CPU只执行片外程序存储器指令。不论是否有内部程序存储器。对于8031，由于其无片
内ROM，故/EA 必须接低电平，这样只选择外部存储器。/VPP为本引脚第二功能。在对EPROM型单片机内EPROM固化编程时，用于施加较高的编程电压（例如+21V或+12V）。对于89C51，则加在/VPP引脚的编程电压为+12V或+5V。
RST/Vpd：该引脚为复位信号输入端，该信号高电平有效，当单片机运行时，在此引脚输入保持大于两个机器周期的高电平后，就可以完成复位操作。单片机正常工作时，此引脚应为≤0.5V低电平。Vpd为本引脚第二功能。即备电源的输入端。当电源Vcc发生故障时降到某一规定值的低电平时，将+5V电源直接接入RST端，为内部的RAM提供备电源，可保护片内RAM中信息不丢失，从而使单片机在复位后能继续正常运行。
XTAL1：接外部晶振和微调电容的一端，在片内它是振荡器倒相放大器的输入，若使用外部晶体振荡器时，该引脚必须接地。
XTAL2：接外部晶振和微调电容的另一端，在片内它是振荡器倒相放大器的输出，若使用外部晶体振荡器时，该引脚接收时钟振荡器的信号，即把此信号直接接到内部时钟发生器的输入端。
3.I/O口引脚：
（1）P0口（P0.0～P0.7）：双向8位三态I/O口，此口为8位地址总线（低8位）及8位数据总线分时复用端口；
（2）P1口（P1.0～P1.7）：8位准双向I/O口；
（3）P2口（P2.0～P2.7）：8位准双向I/O口，与地址总线（高8位）复用，在访问外部程序存储器时，它作存储器的高8位地址线；
（4）P3口（P3.0～P3.7）： 8位准双向I/O口，双功能复用口。 4.振荡器特性：
XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片
内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。由于输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。
5.芯片擦除：
整个EPROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平10ms 来完成。在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。
此外，AT89C51设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。在闲置模式下，CPU停止工作。但RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。
3.3 其它主要器件介绍
3.3.1 NE555介绍
NE555是在1971年由Signetics Corporation发布，在当时是唯一非常快速且商业化的Timer IC，在往后的40年来非常普遍被使用，且延伸出许多的应用电路，尽管近年来CMOS技术版本的Timer IC如MOTOROLA的MC1455已被大量的使用，但原规格的NE555依然正常的在市场上供应，尽管新版IC在功能上有部份的改善，但其基本功能并没变化，所以到目前都可直接的代用。
NE555是属于555系列的计时IC的其中的一种型号，555系列IC的接脚功能及运用都是相容的，只是型号不同的因其价格不同其稳定度、省电、可产生的振荡频率也不大相同；而555是一个用途很广且相当普遍的计时IC，只需少数的电阻和电容，便可产生数位电路所需的各种不同频率之脉波讯号。
NE555的特点有：
（1）只需简单的电阻器、电容器，即可完成特定的振荡延时作用。其延时范围极广，可由几微秒至几小时之久。
（2）它的操作电源范围极大，可与TTL，CMOS等逻辑闸配合，也就是它的输
出准位及输入触发准位，均能与这些逻辑系列的高、低态组合。
（3）其输出端的供给电流大，可直接推动多种自动控制的负载。 （4）它的计时精确度高、温度稳定度佳，且价格便宜。 NE555引脚功能如下：
图3-8 NE555的引脚图
引脚 1 (接地)：地线(或共同接地)，通常被连接到电路共同接地。
引脚 2 (触发点)：这个脚位是触发NE555使其启动它的时间周期。触发信号上缘
电压须大于2/3 VCC，下缘须低于1/3 VCC 。
引脚 3 (输出)：当时间周期开始555的输出脚位，移至比电源电压少1.7伏的高电位。周期的结束输出回到O伏左右的低电位。于高电位时的最大输出电流大约200 mA 。
引脚 4 (重置)：一个低逻辑电位送至这个脚位时会重置定时器和使输出回到一个
低电位。它通常被接到正电源或忽略不用。
引脚 5 (控制)：这个接脚准许由外部电压改变触发和闸限电压。当计时器在稳定或振荡的运作方式下,这输入能用来改变或调整输出频率。
引脚 6 (重置锁定)：重置锁定并使输出呈低态。当这个接脚的电压从1/3 VCC电
压以下移至2/3 VCC以上时启动这个动作。
引脚 7 (放电)：这个接脚和主要的输出接脚有相同的电流输出能力，当输出为ON时它为LOW，对地为低阻抗，当输出为OFF时它为HIGH，对地为高阻抗。
引脚 8 (VCC)：这是555个计时器IC的正电源电压端。供应电压的范围是+4.5伏
特(最小值)至+18伏特(最大值)。
NE555参数功能特性：
•供应电压4.5-18V •供应电流3-6mA
•输出电流225mA(max) •上升/下降时间100ns
NE555的作用范围很广，但一般多应用于单稳态多谐振荡器及无稳态多谐振荡器。
3.3.2 集成运放LM358介绍
集成电路运算放大器是一种高电压增益、高输入电阻和低输出电阻的多级直接耦合放大电路，它的类型很多，电路也不一样，但结构具有共同之处，图3-9表示集成运放的内部电路组成原理框图。图中输入级一般是由BJT、JFET或MOSFET组成的差分放大电路，利用它的对称性可以提高整个电路的共模抑制比和其它方面性能，它的两个输入端构成整个电路的反相输入端和同相输入端。电压放大级的主要作用是提高电压增益，它可由一级或多级放大电路组成。输出级一般由电压跟随器或互补电压跟随器组成，以降低输出电阻，提高带负载能力。偏置电路是为各级提供合适的工作电流。此外还有一些辅助环节，如电平移动电路、过载保护电路以及高频补偿环节。
+ Vid -- 差分输入电压发大级 输出级 Vo 偏置电路
图3-9 集成运算放大器内部组成原理图
本设计采用的运放型号为LM358集成运放介绍，现重点介绍一下。如图3-10所示，LM358 内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。它的使用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。LM358 的封装形式有塑封8引线双列直插式和贴片式。
图3-10 LM358引脚排序图
特性:
· 内部频率补偿
· 直流电压增益高(约100dB) · 单位增益频带宽(约1MHz)
· 电源电压范围宽：单电源(3—30V)；双电源(±1.5 一±15V) · 低功耗电流，适合于电池供电 · 低输入偏流
· 低输入失调电压和失调电流 · 共模输入电压范围宽，包括接地 · 差模输入电压范围宽，等于电源电压范围
· 输出电压摆幅大(0 至Vcc-1.5V)
3.3.3 继电器的介绍
继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路），通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”。故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。 当输入量(如电、磁、声、光、热等)达到规定值时，使被控制的输出电路导通或断开的电器。继电器可分为电气量(如电流、电压、频率、功率等)继电器及非电气量(如温度、压力、速度等)继电器两大类。继电器具有动作快、工作稳定、使用寿命长、
体积小等优点，广泛应用于电力保护、自动化、运动、遥控、测量和通信等装置中。 我们常用的是电磁继电器，本设计也是采用的电磁继电器，所以在这里将重点介绍电磁继电器。
1.电磁继电器的工作原理和特性
图3-11 电磁继电器原理图
电磁式继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）吸合。这样吸合、释放，从而达到了在电路中的导通、切断的目的。对于继电器的“常开、常闭”触点，可以这样来区分：继电器线圈未通电时处于断开状态的静触点，称为“常开触点”；处于接通状态的静触点称为“常闭触点”。
2.继电器主要产品技术参数
额定工作电压：是指继电器正常工作时线圈所需要的电压。根据继电器的型号不同，可以是交流电压，也可以是直流电压。
直流电阻：是指继电器中线圈的直流电阻，可以通过万能表测量。 吸合电流：是指继电器能够产生吸合动作的最小电流。在正常使用时，给定的电流必须略大于吸合电流，这样继电器才能稳定地工作。而对于线圈所加的工作电压，一般不要超过额定工作电压的1.5倍，否则会产生较大的电流而把线圈烧毁。
释放电流：是指继电器产生释放动作的最大电流。当继电器吸合状态的电流减小到一定程度时，继电器就会恢复到未通电的释放状态。这时的电流远远小于吸合电流。
触点切换电压和电流：是指继电器允许加载的电压和电流。它决定了继电器能控制电压和电流的大小，使用时不能超过此值，否则很容易损坏继电器的触点。 3.继电器的选用
（1）先了解必要的条件：
①控制电路的电源电压，能提供的最大电流； ②被控制电路中的电压和电流；
③被控电路需要几组、什么形式的触点。选用继电器时，一般控制电路的电源电压可作为选用的依据。控制电路应能给继电器提供足够的工作电流，否则继电器吸合是不稳定的。
（2）查阅有关资料确定使用条件后，可查找相关资料，找出需要的继电器的型号和规格号。若手头已有继电器，可依据资料核对是否可以利用。最后考虑尺寸是否合适。
（3）注意器具的容积。若是用于一般用电器，除考虑机箱容积外，小型继电器主要考虑电路板安装布局。对于小型电器，如玩具、遥控装置则应选用超小型继电器产品。
3.3.4 光耦介绍
光耦合器亦称光电隔离器或光电耦合器,简称光耦。光电耦合器是以光为媒介来传输电信号的器件，如图3-12所示：
图3-12 光电耦合器
它一般由三部分组成：光的发射、光的接收及信号放大，通常把发光器（红外线发光二极管LED）与受光器（光敏半导体管）封装在同一管壳内。当输入端加电信号时发光器发出光线，受光器接受光线之后就产生光电流从输出端流出,从而实现了“电—光—电” 转换。从而起到输入和输出隔离的作用。以光为媒介把输入端信号耦
合到输出端的光电耦合器，由于它具有体积小、寿命长、无触点、抗干扰能力强、输出和输入之间绝缘、单向传输信号等优点,在数字电路上获得广泛的应用。
由于光耦合器输入输出间互相隔离，电信号传输具有单向性等特点，因而具有良
好的电绝缘能力和抗干扰能力。又由于光耦合器的输入端属于电流型工作的低阻元件，因而具有很强的共模抑制能力。所以，它在长线传输信息中作为终端隔离元件可以大大提高信噪比。在计算机数字通信及实时控制中作为信号隔离的接口器件，可以大大增加计算机工作的可靠性。
光耦合器的主要特点有：信号单向传输，输入端与输出端完全实现了电气隔离隔
离；输出信号对输入端无影响，抗干扰能力强；它广泛用于电平转换、信号隔离、级间隔离、开关电路、远距离信号传输、脉冲放大、固态继电器 (SSR)、仪器仪表、通信设备及微机接口中。由于光电耦合器的输入阻抗与一般干扰源的阻抗相比较小,因此分压在光电耦合器的输入端的干电压较小,它所能提供的电流并不大,不易使半导体二极管发光;由于光电耦合器的外壳是密封的,它不受外部光的影响;光电耦合器的隔离电阻很大（约 1012Ω）、隔离电容很小（约几个pF），所以能阻止电路性耦合产生的电磁干扰。线性光电耦合器由发光二极管和光敏三极管组成,当发光二极管接通而发光,光敏三级管导通,光电耦合器是电流驱动型,需要足够大的电流才能使发光二极管导通,如果输入信号太小,发光二极管不会导通,其输出信号将失真。在开关电源,尤其是数字开关电源中,利用线性光耦合器可构成光耦反馈电路,通过调节控制端电流来改变占空比,达到精密稳压目的。
光耦合器的技术参数主要有：发光二极管正向压降VF、正向电流IF、电流传输比CTR、输入级与输出级之间的绝缘电阻、集电极-发射极反向击穿电压V(BR)CEO、集电极-发射极饱和压降VCE(sat)。此外,在传输数字信号时还需考虑上升时间，下降时间，延迟时间和存储时间等参数。其中电流传输比是光耦合器的重要参数,通常用直流电流传输比来表示。当输出电压保持恒定时,它等于直流输出电流IC与直流输出电流IF百分比.
使用光电耦合器的注意事项有：
（1）在光电耦合器的输入部分和输出部分必须分别采用独立的电源，若两端共用一个电源，则光电耦合器的隔离作用将失去意义。
（2）当用光电耦合器来隔离输入输出通道时，必须对所有的信号（包括数位量信号、控制 量信号、状态信号）全部隔离，使得被隔离的两边没有任何电气上的连
接，否则这种隔离是没有意义的。
3.3.5 串行下载口介绍
RS232接口是1970年由美国电子工业协会（EIA）联合贝尔系统、调制解调器厂家及计算机终端生产厂家共同制定的用于串行通讯的标准。它的全名是“数据终端设备（DTE）和数据通讯设备（DCE）之间串行二进制数据交换接口技术标准”。 该标准规定采用一个25个脚的DB25连接器，对连接器的每个引脚的信号内容加以规定，还对各种信号的电平加以规定。随着设备的不断改进，出现了代替DB25的DB9接口，现在都把RS232接口叫做DB9。其引脚图如下：
图3-13 RS232引脚图
RS232（DB9）的引脚功能如下： 1 ：DCD 数据载波检测 2 ：TXD 发送数据 3 ：RXD 接收数据 4 ：DTR 数据终端准备好 5 ：GND 信号地
6 ：DSR 数据通信设备准备好 7 ：RTS 请求发送 8 ：CTS 清除发送 9 ：RI 振铃提示 RS232采用负逻辑电平： 逻辑1 ：-15~-3V； 逻辑0 ：+3~+15V；
由于TTL电平和RS232电平互不兼容，所以两者相对接时，必须进行电平转换。RS232与TTL电平转换最常用的芯片是MAX232,它是一种把电脑的串行口RS232信号电平（-10V ，+10V）转换为单片机所用到的TTL信号点平（0 V，+5V）的芯片，其引脚图如下：
图3-14 MAX232引脚图
MAX232芯片是专门为电脑的RS232标准串口设计的接口电路,使用+5V单电源供电。
内部结构基本可分三个部分：
第一部分是电荷泵电路。由1、2、3、4、5、6脚和4只电容构成。功能是产生+12v和-12v两个电源，提供给RS-232串口电平的需要。
第二部分是数据转换通道。由7、8、9、10、11、12、13、14脚构成两个数据通道。其中13脚（R1IN）、12脚（R1OUT）、11脚（T1IN）、14脚（T1OUT）为第一数据通道。8脚（R2IN）、9脚（R2OUT）、10脚（T2IN）、7脚（T2OUT）为第二数据通道。TTL/CMOS数据从T1IN、T2IN输入转换成RS-232数据从T1OUT、T2OUT送到电脑DB9插头；DB9插头的RS-232数据从R1IN、R2IN输入转换成TTL/CMOS数据后从R1OUT、R2OUT输出。
第三部分是供电。15脚GND、16脚VCC（+5V）。
3.4 各部分电路设计
系统的硬件部分包括电源电路部分、时钟电路部分、复位电路部分、按键电路部分、超重检测电路部分、状态指示电路部分、声光报警电路部分、过流保护电路部分、控制电机正反转电路部分和串口电路部分，下面一一介绍
3.4.1 电源电路
本设计所用到的单片机、NE555模块和运算放大器是用直流+5V的电源供电，
继电器、光电耦合器和直流电机是用直流+24V的电源供电，所以电源部分要能产生+5V和+24V的电压。
本设计利用LM138和LM7805芯片得到+24V和+5V的电压，由于它们分别为光电耦合器两端供电，它们在电气上不能有任何连接，因此我们必须对它们进行单独设计。但它们的应用都要注意以下几点：
（1）输入输出压差不能太大,太大则转换效率急速降低，而且容易击穿损坏； （2）输出电流要满足负载的要求，当大电流的输出，散热片的尺寸要足够大，否则会导致热击穿；
（3）输入输出压差也不能太小,大小效率很差。
产生+24V的电压给继电器、光电耦合器和直流电机供电电路图如下：
图3-15 +24V电路部分
由于直流电机的额定功率为120W，额定电流为5A，我们在选用变压器时选用220V~33V，输出电流能达到6A的变压器。整流二极管选用的型号为P600A，它的最高反向峰值电压(v)为50V，平均整流电流(A)为6A。在选用三端稳压器时我们选择的三端稳压芯片是LM138，它是一个输出电压可调的稳压芯片，输出电流可以达到5A，这样可以满足负载的要求。它的输出电压公式为：Vo=Vref*（1+R33/R32）+Iadj*R33，其Vref为固定值1.25V，Iadj为50uA,由于Iadj非常小，我们在计算输出电压时常把其忽略。为提供+24V的电压，我们取R32=275Ω，R33=5kΩ。电容C6、
C7、C8、C9都为输入端或输出端的滤波电容，电容值大的电容可以有效滤除低频噪声，小的电容可以有效滤除高频噪声，它们组合应用能有效的滤除交流噪声使输出电流更平稳。
产生+5V的电压给单片机、NE555模块和运算放大器供电电路图如下：
图3-16 +5V电路部分
在设计+5V的直流电源时，我们采用的变压器型号为YE1313，它为220V~9V变压器，输出电流可以达到300mA，能够满足后续负载的要求。整流二极管选用的型号为IN4001，它的最高反向峰值电压(v)为50V，平均整流电流(A)为1.0A。三端稳压器芯片的型号为LM7805,同样电容C10、C11、C12、C13都为输入端或输出端的滤波电容，它们组合应用能有效的滤除交流噪声。
3.4.2 时钟电路
时钟电路用于产生AT89C51单片机工作时所必须的时钟控制信号，单片机各个功能部件的运行都是以时钟控制信号为基准，有条不紊地一拍一拍地工作。因此时钟电路是计算机的心脏，时钟频率直接影响单片机的速度，时钟电路的质量也直接影响单片机系统的稳定性，本次设计采用的是内部时钟方式。
AT89C51内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，该高增益反相放大器的输入端的为芯片引脚XTAL1，输出端为引脚XTAL2。这两个引脚跨接适应晶体振荡器（简称晶振）和微调电容，就构成一个稳定的自激振荡器。电路中的电容C1和C2典型值通常为30pF左右，对外接电容的值虽然没有严格的要求，但电容的大小会
影响振荡器频率的高低，振荡器的稳定性和起振的快速性。本设计采用30pF的电容。晶振的振荡频率通常在1.2MHz--12MHz之间。晶振的频率越高，则系统的时钟频率也越高，单片机的运行速度也越快。但反过来运行速度快对存储器的速度要求也就高，对印制电路图的工艺要求也高，本设计采用6MHz的晶振。
图3-17 时钟部分电路
3.4.3 复位电路
AT89C51的复位电路是由外部的复位电路来实现的，当复位引脚RST加上大于2
个机器周期（即24个时钟振荡周期）的高电平就可以使单片机复位。除了进入系统的正常初始化之外，当由于程序出错或者操作错误使系统处于死锁状态，为摆脱死锁状态，也可以按复位键使RST引脚为高电平使AT89C51重新启动，所以本设计采用具有上电复位和手动复位双功能的电路。复位电路如图所示:
图3-18 复位电路
由于电容两端电压不能突变，当上电时电容正负极的电压都是+5V，即RST引脚的电平为高，单片机就会复位，片刻之后电容就会通过R2电阻放电，电容负极的电压随即降低，最后降为零。由于单片机复位引脚所需高电平的时间很短就可以完成复位，所以电源通电时只要VCC1的上升时间不超过1ms，就可以实现自动上电复位。而当由于程序出错或者操作错误使系统处于死锁状态，为摆脱死锁状态，也可以按复位键S1使RST引脚为高电平使AT89C51重新启动，当按一下S1时，电压VCC1直接加在RST引脚上的时间足以大于2个机器周期，单片机就会复位使AT89C51重新启动。
3.4.4 按键电路
本设计只需要两个按键，一个控制电机的正转一个控制电机的反转。由于用到的按键较少，所以可以用独立式键盘接口，独立式键盘接口就是各键相互独立，每个按键各接一根输入线，通过检测输入线的电平状态可以很容易的判断哪个按键被按下。
而独立式键盘又分为中断方式独立式键盘工作电路和查询方式的独立式键盘工作电路，本设计采用查询方式的独立式键盘工作电路，按键直接与AT89C51的I/O口线相连，通过读I/O线的高低电平状态，即可识别按下的键。电路图如下：
图3-19 按键部分电路图
用单片机的P1口来控制信号的输入当没有按键按下时，P1.1与P1.2口都是高电平，单片机就会通过软件编程使P2.1和P2.0都输出高电平，此时电机不工作。当正转控制按键S2按下时，相当于给P1.1口一个低电平，单片机就会通过软件编程使P2.1输出高电平和P2.0输出低电平，电机就会正向转动，晾衣架回被提起，当松开按键S2时，电机不工作。当反转控制按键S3按下时,相当于给P1.2口一个低电平，单片机就会通过软件编程使P2.1输出低电平和P2.0输出高电平，电机就会反向转动，晾衣架回被放下，当松开按键S3时，电机不工作。这就达到了通过按键来达到使晾衣架自动升降的目的。
3.4.5 超重检测电路
该模块为称重传感器，它是一种电阻应变式传感器。将其固定在阳台顶上，将滑轮固定在称重传感器上，当称重传感器上所承受的重力变化时，也就是晾衣架上衣服的重量发生变化时，重传感器内部将会产生相应的电阻变化，从而导致最终输出电压发生变化。
称重传感器的内部结构如图3-20所示。它由一个电阻应变片，三个固定阻值电阻和一个运算放大器LM358组成。应变片R5能将应变变化转换成电阻变化，其电阻相对变化△R/R与轴向应变△L/L成正比，当搭载衣服重量增加时它的电阻会变大。由于在这里我们只需要检测是否超重而不需要检测具体的重量值，用运算放大器LM358组成开环放大电路能够输出一个开关量。
图3-20 称重传感器内部结
由图可知LM358的反相输入端的电压恒定为VCC1/2，这里VCC1为5V，所以反相输入端为2.5V，当晾衣架所搭载的衣服重量没有超过规定值时R5的电阻小于R6, LM358的同相输入端的电压大于2.5V，LM358的输出为高电平；当晾衣架所搭载的衣服重量超过规定值时R5的电阻值会变大，将大于R6, LM358的同相输入端的电压小于2.5V，LM358的输出为高电平。单片机可以根据LM358输出的电平状态来判断是否超重。
3.4.6 状态指示电路
本设计需要3个状态指示灯，一个是电源指示灯，当系统上电复位以后就使其点亮来说明系统已经供电；另一个是晾衣架上升指示灯，当晾衣架上升时它就会亮来指示上升状态；第三个是晾衣架下降指示灯，当晾衣架下降时它就会亮来指示下降状态。
用P0口控制发光二极管的显示，当上电复位以后，P0各端口均为高电平，如果控制电机正反转的按钮被按下，则就调用软件把相应端口置为低电平，相应的发光二极管就会亮，用它来表示电源和直流电机所处的状态。如图3-21所示：
3.4.7 声光报警电路
图3-21 状态指示部分电路
声光报警电路如图所示，它主要由两部分组成：首先是由NE555集成电路构成的多谐振荡器震荡信号产生电路;其次由运算放大器，发光二极管和扬器构成的声光报警电路。
图3-22 超重过流声光报警电路
为了合理利用I/O引脚的低电平能力强的特点，在外接耗电较大的器件（如LED数码显示器、继电器等）的时候，应该优先选用低电平输出来驱动外部器件。使用I/O口输出高电平驱动负载，就是一个错误的选择。由前述可知，当晾衣架上的衣服重量没有超过电机能够拉起的重量时或者流过电机电流没有超过电机额定电流时，可以通过软件编程使单片机的P0.3口输出为高电平，三极管T1为PNP型的，它的集极为高，三极管不会导通，NE555集成电路的THR和TRIG端的电压均为零，则由NE555集成电路的功能可知，输出端的Q输出为高电平。输出端Q接入运算放大器构成反相电路，则运算放大器的输出为低电平。这样发光二极管LED4截止；三极管T2截止，蜂鸣器不工作，即此时不进行声光报警。
而当晾衣架上的衣服重量超过电机能够拉起的重量时或者流过电机电流超过电机额定电流时，可以通过软件编程使单片机的P0.3口输出为低电平，三极管T1的集极为低，三极管就会导通，此时电源通过电阻R14和R15对电容C7进行充电，NE555集成电路的THR和TRIG端的输入电压均为高，当电压升高到>(2/3VCC1)时，输出端Q为低电平,此时THR和TRIG端通过DIS端放电，当电压下降到<(1/3VCC1)时，输出端Q为高电平。这样多谐振荡器周而复始，NE555集成电路的输出端的Q输出为振荡信号。同样输出端的Q接入运算放大器构成反相电路，则运算放大器的输出端也输出振荡信号。这样这样发光二极管LED4在截止和导通状态之间转换，LED4呈现闪烁状态：三极管T2同样在截止和导通状态之间转换，蜂鸣器进行间断工作，即进行声光报警。
3.4.8 过流保护电路
在任何情况下，不论正常工作或发生故障时，必须保证电机的工作条件不超出它的允许范围。由于长时间过电流都会损坏驱动或电机，所以除了在选用器件时留有充分合理的裕量，还必须采取采用有效过电流保护措施。
本系统采用的直流电机型号为70ZYT55,它的额定电压为直流24V，额定电流为5A，所以额定功率为120W，为了防止电机因超载运行或者因故障导致过流而烧坏，必须有过流保护装置，在这里用采样电阻来把电流大小换算成电压然后用运算放大器LM358对采样电压进行放大等处理。过流保护电路如图所示：
图3-23 过流保护电路图
过流、短路保护电路选用的电流取样电阻要综合考虑电流、功率及热稳定性三个因素。电阻增大则电阻的功耗就会增加，电路效率下降。由于把康铜丝为精密的电阻，其阻值几乎不随温度变化，所以本设计的采样电阻R26采用以康铜丝为材料的电阻，考虑系统效率因此选择阻值为0.05欧姆。然后用LM358运算放大器对采样电压进行放大，再用一个LM358把采样的电压变成开关信号送至单片机的P3.2外部中断0口，当单片机发生中断时就会调用服务程序通过设置P2.1和P2.0口来使电机不工作，从而达到过流保护的作用。
图中第一个LM358运算放大器组成同相闭环放大电路，电压的放大倍数为Vo/Vi=1+R27/R28，在这里我们取R27=1KΩ，R28=9KΩ，所以第一个运算放大器的放大倍数为10。第二个运算放大器组成开环回路，它的正相输入电压为VCC1/2，VCC1为+5V，即正相输入为2.5V，当反相输入端小于2.5V时它的输出为高电平，当反相输入端大于2.5V时它的输出为低电平。当电机回路的电流没有超过5A时采样电阻的电压值就小于0.25V，第一个运算放大器的输出小于2.5V，第二个运算放大器的输出为高点平，而当电机回路的电流超过5A时采样电阻的电压值就大于0.25V，第一个运算放大器的输出大于2.5V，第二个运算放大器的输出为低点平，单片机通过外部中断来使电机的停止，报警器工作，从而达到过流保护的作用。
3.4.9 控制电机正反转电路
图3-24 正反转电路图
图中用到的电机型号为70ZYT55，供电电压为直流24V，额定电流为5A，额定
功率为120W，能够满足本设计的要求。光电耦合器型号为TIL117，它的供电电压可以为+24V，它有较高的电流传输比，最小值为50%。用到的电磁继电器的型号为G5Q-1-DC24，即供电电源为直流24V，它能够允许通过的最大电流为6A，能够满足电机回路对电流的要求。
当P2.1为高电平时，第一个光电耦合器的二极管不发光，光敏三极管就不会导通，三极管T3的集极为低电平，T3不满足导通条件，电磁继电器的线圈不通电，K1开关会与电机回路的地端相连。而当P2.1为低电平时，第一个光电耦合器的二极管发光，光敏三极管接收光信号导通，三极管T3的集极为高电平，T3会导通，电磁继电
器的线圈通电，K1开关会与电机回路的电源端相连。其中D2二极管的作用是当继电器的线圈忽然断电后，流过线圈的电流依然存在，电流就会通过继电器和二级管组成的回路放电，这样避免对三极管的电流冲击。用同样的方法分析第二个继电器。
当系统复位后P2.1和P2.0都为高电平，K1和K2都与地端相连，电机不工作。当按下上升按键后，通过软件使P2.0为低电平，P2.1为高电平，K2与电源端相连，K1与地端相连，电机正转。当按下下降按键后，通过软件使P2.0为高电平，P2.1为低电平，K2与地端相连，K1与电源端相连，电机反转。
3.4.10 串口电路
AT89C51单片机程序需要从电脑里下载，我们在异步串行通信中最常用的是标准接口是RS232接口，它定义了数据终端设备（DTE）和数据通讯设备（DCE）之间串行二进制数据交换接口技术标准。现在PC机配置的都是9针“D”型连接器，由于TTL电平和RS232电平互不兼容，所以两者相对接时，必须进行电平转换。RS232与TTL电平转换最常用的芯片是MAX232,它是RS232双工发送器/接收器的接口芯片，其片内有两个发送器。两个接收器，有TTL信号输入/RS232输出功能，也有RS232输入/TTL输出的功能。单片机下载程序接口电路如下图所示：
图3-25 下载接口电路图
在这里我们只利用了一个发送器T1和一个接收器R1,发送器T1的TTL电平输入端11脚与单片机的串行输出口P3.1相连，RS232电平输出端14脚与RS232接口的
发送引脚2相连；接收器R1的TTL电平输出端12脚与单片机的串行输入口P3.0相连，RS232电平输入端13脚与RS232接口的接收数据引脚3相连，RS232接口的5引脚为接地端。
4 系统的软件各部分设计与实现
软件部分包括超重检测部分、上升部分、下降部分和中断部分，有关流程图下面一一说明。
4.1 超重检测部分
系统初始化之后会让电源指示灯亮，然后检测晾衣架是否超重，若超重则一直报警，直到超重信号消除程序再往下执行，流程图如图4-1所示：
开始 电源指示亮亮 是否超重 Y 延时 N N 是否超重 Y 报警，电机不工作 Y N 是否超重 上升部分
图4-1 超重检测部分流程图
4.2 上升部分
当没有超重时，就会检测上升按键是否按下，若按下则晾衣架一直上升，直到上升按键被松开程序再往下执行，流程图如图4-2所示：
开始 上升是否按下 Y 延时 N N 上升是否按下 Y 上升指示亮电机正转 Y N 正转是否按下 下降部分
图4-2 上升部分流程图
4.3 下降部分
当上升按键没有被按下时，就会检测下降按键是否按下，若按下则晾衣架一
直下降，直到下降按键被松开程序就会返回开始继续查询，流程图如图4-3所示：
开始 下降是否按下 Y 延时 N N 下降是否按下 Y 下降指示亮电机反转 Y N 下降是否按下 返回超重检测部分
图4-3 下降部分流程图
4.4 过流中断部分
当电机发生故障时，必须使电机停止且进行声光报警，直到按下复位键，从而实现过流保护，流程图如图4-4所示：
过流中断 报警，电机不工作 陷入死循环
图4-4 过流保护部分流程
5 设计总结
本设计采用单片机AT89C51作为自动晾衣架的检测及控制核心。采用电阻应变片组成的超重检测电路实现超重检测；通过手动按键电路和继电器、光电耦合器组成的电机驱动电路实现直流电机的正反转来控制晾衣架的升降；通过发光二极管电路来显示晾衣架的工作状态；采用以NE555为核心组成报警电路产生过流或超重声光报警，通过由康铜丝和运放组成的电流采样及转换电路来达到过流保护功能。软件部分采用模块化设计思想，编制了各个模块的流程图。实现了对直流电机正反转控制，状态显示等功能。本设计具有灵活方便、适用范围广的特点，基本能够满足实践需求。但本设计还有的缺点如不能显示所搭载衣服的的具体重量，只有当超载时才能知道达到了晾衣架的承载极限。电机功率大，给电机供电电源的三端稳压器需要加上散热片才能不至于被烧坏。
参考文献
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附 录
附录1：程序
ORG
0000H
LJMP START ORG
0003H
LJMP INT
ORG
1000H
START: SETB EA SETB EX0 SETB PX0
CLR
IT0 KAISHI :CLR
P0.0
JNB
P1.0,XX1
LJMP XX3
XX1:
LCALL DELAY
JNB
P1.0,XX2
LJMP XX3
XX2:
CLR
P0.3
SETB P2.1 SETB P2.0
L0:
JNB
P1.0,L0
SETB P0.3
XX3:
JNB
P1.1,XX4
LJMP XX6
XX4:
LCALL DELAY
JNB
P1.1,XX5
LJMP XX6
XX5:
CLR
P0.1
SETB P2.1
；外部中断0的入口 ；跳到中断服务程序 ；主程序开始地址 ；CPU开中断 ；允许外部中断0中断 ；设置外部中断0为高级中断 ；外部中断0为电平触发 ；清P0.0，使电源指示灯亮 ；P1.0为0,则跳转到XX1 ；P1.0为1,则跳转到XX3 ；调用延时程序，重新检测 ；P1.0为0,则跳转到XX2 ；P1.0为1,则跳转到XX3 ；清P0.3，进行声光报警 ；置P2.1
；置P2.1，使电机不工作 ；P1.0为0时一直执行该语句 ；P1.0为1时置P0.3，结束声光报警；P1.1为0,则跳转到XX4 ；P1.0为1,则跳转到XX6 ；调用延时程序，重新检测 ；P1.1为0,则跳转到XX5 ；P1.1为1,则跳转到XX6 ；清P0.1，使上升指示灯亮 ；置P2.1
CLR
P2.0 L1:
JNB
P1.1,L1
SETB P0.1 SETB P2.1 SETB P2.0
XX6:
JNB
P1.2,XX7
LJMP XX9
XX7:
LCALL DELAY
JNB
P1.2,XX8
LJMP XX9
XX8:
CLR P0.2 CLR
P2.1
SETB P2.0
L2:
JNB
P1.2,L2
SETB P0.2 SETB P2.1 SETB P2.0
LJMP KAISHI
DELAY: MOV R3,#64H
Y2: MOV R4,#32H Y1: DJNE R3,Y1
DJNZ R4,Y2 RET INT:
CLR
P0.3
SETB P2.1 SETB P2.0
HERE: LJMP HERH
RETI
；清P2.0，使电机正转 ；P1.1为0时一直执行该语句
；P1.1为1时置P0.1，使上升指示灯熄灭 ；置P2.1
；置P2.1，使电机不工作 ；P1.2为0,则跳转到XX7 ；P1.2为1,则跳转到XX9 ；调用延时程序，重新检测 ；P1.2为0,则跳转到XX8 ；P1.2为1,则跳转到XX9 ；清P0.2，使下降指示灯亮 ；清P2.1
；置P2.0，使电机反转 ；P1.2为0时一直执行该语句
；P1.2为1时置P0.2，使下降指示灯熄灭 ；置P2.1
；置P2.0，使电机不工作 ；返回开始继续查询
；延时10ms的程序
；清P0.3，进行声光报警 ；置P2.1
；置P2.0，使电机不工作 ；使程序陷入死循环 ；中断返回
附录2：总体电路图
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